JP6454020B2 - 分光計の非ランダム固定パターンを最小化するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、分光計における非ランダム雑音を最小化する自動化可能なシステムおよび方法に関し、詳しくは、光学分光計に関する。

分光器メーカの主要な課題の１つは、未知サンプルの測定について、信号対雑音比を自動的に最大化するツールを顧客に提供することである。ハンドヘルド機器は、ジョンソンナイキスト及び／又はショット雑音が最小化されるのと同じように単一の露光を長くすることによって最小化することができない非ランダム雑音源を扱うという固有の課題にしばしば直面する。

米国特許第７６０５９１８号には、ラマン分光計の自動露光ルーチンが記載され、そこでは、操作者は検出器を飽和させないような最大暴露長さを評価するために短い試験パルスを実施することによって「サンプルからスペクトルを収集するときに達成すべき目標信号対雑音比（ＳＮＲ）を特定する」ことができる。米国特許第７６０５９１８号においては、操作者が指定したＳＮＲが単一の露光で検出器を飽和するであろう観測時間を要すると、多重露光が自動的に収集され、続いて合計又は平均化される。米国特許第７６０５９１８号は、「所望のＳＮＲが最大露光時間を使用する露光のＳＮＲよりも小さいと、単一の露光のみが必要とされ、露光時間は、少なくとも近似するＳＮＲを達成するために、単一の短いサンプル露光からのＳＮＲを使用してスケーリングすることができる。」ことを特に述べている。

この出願に記載されたシステムおよび方法は、米国特許第７６０５９１８号から目的および手法の両方において著しく異なっている。米国特許第７６０５９１８号の目的は、そうでなければ検出器を飽和させるであろう観察時間を達成するために、複数を合計又は平均化することである。これに対して、本願に記載された方法の目的は、単一の露光を長くすることによって最小化できないものではない非ランダムを最小化するために、所定の時間の複数の露出を使用することである。

米国特許第７６０５９１８号に記載された手法は、検出器がそうでなければ飽和するときにのみ、複数回の走査を合計または平均化する。この手法を用いると、検出器を飽和させるのに必要な時間は、サンプルの分析から生じる信号強度に依存する。したがって、この最大露光時間は、サンプルごとに変化し得る。これに対して、本願に記載された方法では、露光時間は、特定のシステムの雑音特性に基づいて選択され、製造時に設定され、サンプルとは独立している所定の時間である。この雑音ベースの手法は非ランダム雑音によって制限される検出システムに独自に適し、非ランダム雑音は、ランダムな熱雑音やショット雑音とは異なり、長時間の単一の露光で平均化により消失せず、露出が長くなるにつれてしばしば成長することがある。したがって、米国特許第７６０５９１８号に記載された手法は、光学分光計における非ランダム雑音を最小化するためには有用ではないであろう。逆に、米国特許第７６０５９１８号に記載された手法の恩恵を受ける分光計は、本明細書に記載された方法から恩恵を受けることはありそうでないが、これは、ショット雑音または検出器雑音に限定されているようであり、平均に追加のスペクトルを不必要に追加すると追加の読み出し雑音を導入するであろうことから、検出システムの全体的な雑音が増加させるからである。

この発明は、一般に、非ランダム雑音によって制限された分光計においてＳＮＲを最大化するための自動化された方法およびシステムに関する。この方法では、サンプルからの信号が短い試験露光を用いて収集され、ＳＮＲを最大化するための全観測時間が計算され、全観測時間はシステムの時間依存雑音構造に基づいて時間が選択された複数の露光を平均することによって達成される。検出器の時間依存雑音構造に基づいて露光時間を選択することによって、非ランダム雑音は単一の露光を用いて達成できないような手法で最小化されることができる。また、分光計の時間依存雑音構造の事前知識を用いて、この方法は自動化してもよく、エンドユーザからの入力を必要としない。

この発明のさらなる目的、特徴および利益は、この明細書に添付され、この明細書の一部を形成する図面および請求範囲を参照し、以下の説明を検討した後、当業者に容易に明らかになるであろう。

図１は、非ランダム電子雑音を最小にするシステムのブロック図である。 図２は、時間に関する雑音の異なる寄与のチャートを示している。 図３は、露光時間に関する信号対雑音比を示すチャートを示している。 図４は、先行技術のシステムによって生成された例示的な波形を示している。 図５は、非ランダム電子雑音を最小にする方法を組み込んだシステムによって取得された波形を示している。

ここに記載されたシステムおよび方法の１つの目的は、光学分光計の性能を制限し得る非ランダム雑音を最小化することである。非ランダム雑音のすべての種類は、この明細書で説明する方法を使用して最小化することができ、例えば、フリッカー雑音、１／ｆ雑音、１／ｆ^２雑音、または検出器アレイのピクセル感度の変動に結びついた雑音を含んでいる。非ランダム雑音は、分光計のサブシステムの一部であるか、取り付けられているか、さもなければ影響を及ぼす他の構成部品に由来し得る。分光計の電子サブシステムは、例えば、検出器アレイ内の個別のセンサ画素、検出器モジュールの内部および／または外部にある前置増幅電子回路、検出器モジュールの内部および／または外部にある読み出し電子機器、データ転送に関連する電子部品、電源構成部品、機器制御／データ表示構成部品、およびすべての関連した配線を含んでいる。

どの光学分光技術も、当技術分野で知られたどれかのように、検出システムの一部として使用することができる。要するに、光学分光計は、光学ビームが試料と相互作用するように光学ビームを位置決めし、検出器を使用して光学信号の変化を測定する。どの波長の光を生成するどの適切な光源も使用してよく、例えば、レーザ、フォトダイオード、Ｘ線管、および黒体放射体を含んでいる。さらに、どの適切な検出器材料も使用することができ、例えば、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、シリコン、ゲルマニウム、水銀テルル化カドミウム、アンチモン化インジウムを含んでいる。検出器は、単一の検出器、検出器素子の直線アレイ、または検出器素子の２次元アレイから構成してもよい。

ラマン分光法は、サンプルの非弾性光散乱によって引き起こされたレーザ光源からの特性シフトを測定する技術である。ラマン分光法は、赤外（ＩＲ）分光法に相補的なサンプルの分子構造情報を高レベルで提供するが、場合によってはＩＲ分光法に対して利益を有し、その１つは試料中に存在する水がラマン分析を妨げないことである。

ＩＲ分光法は、ＩＲビームの経路に配置されたサンプルによる異なるＩＲ周波数の吸収測定である。ＩＲ分光分析の主な目標は、サンプルに見られる化学官能基を決定することである。ＩＲスペクトルは、周波数の関数として透過率または吸収強度の変化を検出することによって得られる。

蛍光分光法は、サンプルが異なる周波数の光を吸収した後の光の放出を測定する。蛍光は、典型的には、電磁スペクトルのＵＶまたは可視領域で使用されるが、他の種類の蛍光（例えば、Ｘ線）もいくつかの用途に使用することができる。電磁スペクトルのＵＶおよび可視領域用の蛍光器具は、小型で低電力であり必要な場所に持ち運び可能であり得る。

ＵＶまたは可視分光法は、ＵＶまたは可視光の経路に配置されたサンプルによる異なるＵＶまたは可視波長の光の吸収測定である。ＵＶまたは可視分光法は、調べる材料の電子遷移に起因するサンプルによる光の変化を測定する。いくつかのＵＶまたは可視分光計は、小型で低消費電力であり、必要な場所で持ち運ぶことができる。

発光分光法は、サンプルによって吸収されるのではなく、試料から放出される光の測定である。光の放出は、どの方法でも生成することがで、例えば、レーザからの励起（レーザ誘起破壊分光法ＬＩＢ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ） からの励起を含んでいる。

当業者であれば、上述した実施形態、特に電子雑音がシステムの雑音の制限源であるものに多数の用途を見出すであろう。

一例として、図１は、非ランダム電子雑音を最小にするシステム１０を示している。前に述べたように、システム１０は、上の段落で述べた多数の異なる分光システムのうちのいずれか１つであってもよい。その基本構成部品として、システム１０は、調べるサンプル１６への露光のために電磁放射１４を放出するように構成された光源１２を含んでいる。サンプル１６に供給された電磁放射１４の少なくとも一部分１８は、検出器２０によって受け取られる。光源１２および検出器２０は、多数の異なる光源または検出器のうちの１つであってもよい。例えば、光源１２は１０６４ｎｍのレーザであってもよく、検出器はラマンスペクトルを測定するために使用されるＩｎＧａＡｓ検出器であってもよい。検出器２０は、検出器２０によって受け取られた電磁放射の露光に基づいて信号を出力するように構成されている。

制御システム２２は、光源１２および／または検出器２２の両方と通信してもよい。その主な構成部品として、制御システム２２は、メモリユニット２６と通信するプロセッサを含んでもよい。メモリユニット２６は、この明細書に開示された多数の異なる方法のどれか１つを実施するようにプロセッサ２４を構成する命令を含んでもよい。プロセッサ２４は２つ以上のプロセッサであってもよいことも理解されたい。さらに、メモリ２６は、図示のようにプロセッサ２４から別個に配置されてもよく、またはプロセッサ２４内に埋め込まれてもよい。制御システム２２は、光源１２からの電磁放射の露光を制御し、検出器２０からの信号を受け取って解釈するように構成されている。

また、光源１２は、露光のための所定の時間にわたって電磁放射１４を放出するように、制御システム２２によって構成されている。予め定義された時間は、システム１０の雑音特性に基づいて、非ランダム電子雑音を最小にする。

また、制御システム２２は、制御システム２２が汎用コンピュータ３０などの外部装置と通信することを可能にする出力装置２８を含んでもよい。制御システム２２および汎用コンピュータ３０は、単一のユニットに統合されてもよいことも理解されたい。制御システム２２ は、波形３２の信号を汎用コンピュータ３０に出力するように構成されてもよい。汎用コンピュータ３０は、波形３２を表示することができ出力装置３４を含んでもよい。また、汎用コンピュータ３０は、汎用コンピュータ３０のユーザに見え方を改善して波形３２を解釈することを可能にするキーボードまたはマウスのような多数の異なる入力装置３６のどの１つを含んでもよい。

これに加えてまたはこれに代えて、光源１２は、検出器２０によって受信されることになる電磁放射の試験露光を放出するように、制御システム２２によって構成されてもよい。次に、制御システム２２は、検出器によって受信された試験露光に基づいて所定の時間を計算するように構成されてもよい。所定の時間は、システム１０の露出時間に対する信号対雑音比に基づいて計算してもよい。

このように、本発明は、光源１２からの電磁放射の複数の露光を放出するステップを含む方法であって もよく、複数の露光の各露光の時間は所定の時間である。所定の時間の長さは、非ランダム電子雑音を最小にするために、分光システム１０の雑音特性に基づいてもよい。この方法は、各露光毎に光源１２からの電磁放射の少なくとも一部を検出器２０によって受け取り、次に検出器によって受け取られた複数の露光を平均化することによって波形を計算するステップをさらに含んでもよい。

各露光の長さについて所定の時間がどのように決定されるかをよりよく理解するために、図２および図３を参照する。図２および図３に示すチャートの図解は単なる例であるが、光学分光システムの雑音特性を一般に示すことが理解されるべきである。

図２は、光学分光システムに対する雑音寄与の４つの異なる例を示している。ここで、雑音寄与は、読み取り雑音３８、検出器雑音４０、ショット雑音４２、および電子雑音４４を含み得る。一般に、読み取り雑音３８は、各露光について固定されている。検出器雑音４０は、一般的にランダムであり、露光時間が長くなるにつれて一般に最小になる。ショット雑音４２も、一般に、最小限にすべきランダム雑音であるが、システム１０に入る光の量に依存して、実際には時間とともに増大することがあり得る。最後に、非ランダム固定パターン雑音４４に関しては、露光時間が長くなるにつれて、電子雑音４４も増加する。雑音３８，４０，４２および４４の合計は、線４６で示されている。図示されているように、線４６は、雑音の総量中の井戸４８を示し、雑音の量が比較的少ない露光時間の期間が存在する。

図３は、露光時間に関する信号対雑音比を示している。図３に見られるように、線５０によって示されるように露光時間に対する最大信号対雑音比が存在する。露光のための所定の時間は露光時間に対する信号対雑音比の分析に基づいており、本質的に露光時間は線５０によって示される最大信号対雑音比を含む露光時間を計算することによって決定されるべきである。個別の露光のための所定の時間は、露光時間の関数として信号対雑音比を最適化することによって選択された。この最適化は実験的に、または理想的な露光時間に達するように検出システムの各雑音源の相対的な寄与をモデル化することによって行うことができる。

別の実施形態では、特定用途向け集積回路、プログラマブルロジックアレイ、および他のハードウェアデバイスなどの専用ハードウェア実施形態を構成し、本明細書に記載の方法の１つ異常を実施することができる。様々な実施形態の装置およびシステムを含むことができる用途は、様々な電子およびコンピュータシステムを広範に含むことができる。本明細書に記載される１つ以上の実施形態は、モジュール間又はモジュールを通って通信することができる制御及びデータ信号に関連した２つ以上の特定の相互接続されたハードウェアモジュール、デバイス、又は特定用途向け集積回路を使用して機能を実装してもよい。したがって、本システムは、ソフトウェア、ファームウェア、およびハードウェア実装を包含する。

本開示の様々な実施形態によれば、本明細書に記載の方法は、コンピュータシステムによって実行可能なソフトウェアプログラムによって実施されてもよい。さらに、例示的で非限定的な実施形態では、実装は、分散処理、コンポーネント／オブジェクト分散処理、および並列処理を含むことができる。あるいは、仮想コンピュータシステム処理を構成して、本明細書で説明する方法または機能の１つ以上を実装することができる。

また、本明細書に記載される方法は、コンピュータ可読媒体で実施されてもよい。「コンピュータ可読媒体」という用語は、１つ以上の命令セットを格納する、集中型または分散型データベース、および／または関連するキャッシュおよびサーバなどの単一の媒体または複数の媒体を含んでいる。「コンピュータ可読媒体」という用語は、また、プロセッサによる実行のための一連の命令を格納、符号化、または搬送することができるか、またはコンピュータシステムに本明細書で開示された方法または動作のうちの１つまたは複数を実行させる。

本発明によって得られる利益は、１０６４ｎｍの励起レーザとＩｎＧａＡｓ検出器からなる分散ハンドヘルドラマン分光計が糖のラマンスペクトルを測定するために使用される実施形態に示すことができる。この特定の実施形態では従来の自動露光ルーチンを用いてラマンスペクトルを収集し、１４秒の単一露光により図４に示すラマンスペクトルが得られる。図５に示す同じサンプルのラマンスペクトルは、この利益を有する記載された方法を用いて収集され、同じ１４秒の観察時間は各２秒の露光の７回の平均によって達成される。個別の曝露の２秒間の時間は、特定の分光計システムの時間依存雑音構造に基づいて選択された。図４に示されたスペクトルの（８２５ｃｍ^−１付近のピークの高さを測定し、２０００ｃｍ^−１付近の領域のピークツーピーク雑音で除することによって計算した）ＳＮＲは概ね４：１であり、図５に示されたスペクトルの（同じ方法で計算した）ＳＮＲは同じ全観測時間で概ね１０：１である。この特定の例では、与えられた観測時間に対してこの発明に記載された方法を使用することによってＳＮＲに約２．５倍の改善が達成された。

当業者が容易に理解するであろうように、上記の説明は、この発明の原理の説明を意味しえいる。この説明は、この発明の範囲または適用を限定することを意図するものではなく、以下の特許請求の範囲で規定されるように、本発明の趣旨から逸脱することなく改変、変形および変更を受けることができる。

Claims (14)

1. 非ランダム電子雑音を最小にするハンドヘルドの分光のシステムであって、
   多重露光の露光のために電磁放射を放出するように構成され、前記多重露光のそれぞれは所定の時間についてのそれぞれである光源と、
   前記光源からの前記電磁放射の少なくとも一部を受け取るように構成された検出器であって、前記露光について前記検出器によって受け取られた前記電磁放射の多重露光に基いて信号を出力するように構成された前記検出器と、
   前記光源及び検出器の両方と通信する制御システムであって、前記光源からの電磁放射の露光を制御し、前記検出器からの信号を受信及び解釈するようにプログラムされた前記制御システムと
   を含み、
   前記光源は前記制御システムによって前記多重露光のそれぞれのための前記所定の時間にわたって電磁放射を放出するように構成され、前記所定の時間は、非ランダム電子雑音を最小化するために時間依存の雑音特性に基づき、前記多重露光のそれぞれについて同じであり、
   前記制御システムは、前記検出器から受け取った信号に基づいて前記多重露光のそれぞれに関連した各信号を平均化することによって波形を出力するようにプログラムされ、前記多重露光のそれぞれは前記所定の時間に等しい持続期間を有し、
   前記所定の時間は前記システムの露光時間の信号対雑音比に基づいて計算され、前記所定の時間は、前記信号対雑音比が実質的に最大である時間であり、前記システムの前記時間依存の雑音特性に基づいて選択された時間の多重露光を平均化することによって計算され、
   前記信号対雑音比の雑音は、読み取り雑音、検出器雑音、ショット雑音及び電子雑音の和であるシステム。
2. 前記光源は、前記制御システムによって、前記検出器によって受け取られる電磁放射の試験露光を放出するように構成され、
   前記制御システムは、前記検出器によって受け取られた前記試験露光に基づいて前記所定の時間を計算するように構成された請求項１に記載のシステム。
3. 前記所定の時間は、前記システムの製造時に設定される請求項１に記載のシステム。
4. 前記システムは、ラマン分光計である請求項１に記載のシステム。
5. 前記システムは、蛍光分光計である請求項１に記載のシステム。
6. 前記システムは、紫外線または可視分光計である請求項１に記載のシステム。
7. 前記システムは、発光分光計である請求項１に記載のシステム。
8. 光源および検出器を有するハンドヘルドの分光のシステムのための非ランダム電子雑音を最小化する方法であって、
   前記光源からの電磁放射の複数の露光を放出するステップであって、前記複数の露光の各露光の時間は所定の時間であり、前記複数の露光のそれぞれは前記所定の時間の持続期間に等しく、前記所定の時間は、非ランダム電子雑音を最小化するために、前記システムの時間依存の雑音特性に基づき、
   前記検出器によって各露光のために前記光源からの前記電磁放射の少なくとも一部を受け取るステップと、
   前記検出器によって受け取られた前記複数の露光のそれぞれに関連した各信号を平均化することによって波形を計算し、前記複数の露光のそれぞれについて前記所定の時間に等しい持続時間を有するステップと
   を含み、
   前記所定の時間は前記システムの露光時間の信号対雑音比に基づいて計算され、前記所定の時間は、前記信号対雑音比が実質的に最大である時間であり、前記システムの前記時間依存の雑音特性に基づいて選択された時間の複数の露光を平均化することによって計算され、
   前記信号対雑音比の雑音は、読み取り雑音、検出器雑音、ショット雑音及び電子雑音の和である方法。
9. 前記検出器によって受け取られることになる電磁放射の試験露光を放出するステップと、
   前記検出器によって受け取られた前記試験露光に基づいて前記所定の時間を計算するステップと
   をさらに含む請求項８に記載の方法。
10. 前記所定の時間は、前記システムの製造時に設定される請求項８に記載の方法。
11. 前記システムは、ラマン分光計である請求項８に記載の方法。
12. 前記システムは、蛍光分光計である請求項８に記載の方法。
13. 前記システムは、紫外線または可視分光計である請求項８に記載の方法。
14. 前記システムは、発光分光計である請求項８に記載の方法。

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